Download transformation strategies towards a sustainable swiss energy system

Research Collection
Doctoral Thesis
Transformation strategies towards a sustainable Swiss energy
system
An energy-economic scenario analysis
Author(s):
Weidmann, Nicolas Oliver
Publication Date:
2013
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-009962867
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more
information please consult the Terms of use.
ETH Library
DISS. ETH NO. 21137
TRANSFORMATION STRATEGIES TOWARDS A
SUSTAINABLE SWISS ENERGY SYSTEM:
AN ENERGY-ECONOMIC SCENARIO ANALYSIS
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
NICOLAS OLIVER WEIDMANN
MSc ETH in Mechanical Engineering. ETH ZURICH
born 7th of June 1979
citizen of Steinmaur (ZH)
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. A. Wokaun, examiner
Prof. Dr. K. Hungerbühler, co-examiner
Dr. S. Hirschberg, co-examiner
Dr. H. Turton, co-examiner
2013
Abstract
Key elements of a sustainable energy system comprise a sufficient, diversified, secure,
economically and environmentally compatible energy supply and the efficient use of energy. Given its relatively high dependence on imported fossil fuels, the energy system in
Switzerland today does not meet the criteria of a sustainable energy system. In order to
achieve a more sustainable configuration of the energy system and cope with key challenges related to energy security, climate change mitigation, and the more rational use
of energy, fossil fuel consumption would have to be significantly reduced. Additionally,
the overall efficiency and the diversification of energy supply options would need to be
increased in the energy system while deploying more environmentally friendly end-use
technologies. The achievement of such targets is likely to require a major transformation
of the configuration of the Swiss energy system. The realisation of such a transformation depends on a number of uncertain factors related to policy decisions, technological
developments, and international energy prices, amongst others. The overall objective of
this dissertation is to improve understanding of how a sustainable Swiss energy can be
realised from a technology perspective.
Given the considerable levels of uncertainty that could affect the development of the future energy system, scenarios reflecting key uncertainties were developed, quantified, and
analysed with the application of a technology-rich bottom-up model of the Swiss energy
system, called Swiss MARKAL.
Different sets of scenarios based on key uncertainties were analysed within the scope of this
dissertation. The first set comprises scenarios representing uncertainties related to political support for future electricity supply options including new nuclear power plants and
large centralised fossil power plants and is analysed for different levels of climate change
mitigation targets. In addition, the impact of changes in international prices for fossil
fuels on the technological configuration of the energy system is investigated. Second, the
potential role of low-carbon electricity sources such as carbon capture and storage (CCS)
technologies in a nuclear- and climate-constrained Swiss energy system was analysed. In
a third set, the impact of alternative socio-economic developments including economic
and population growth on the energy system was investigated.
The scenario analysis conducted within the scope of this dissertation provided important
insights into how the transformation towards a more sustainable Swiss energy system
could be realised.
Coping with key challenges related to climate change mitigation will likely require significant reductions in domestic CO2 emissions that can be realised with an increased deploy1
ment of energy efficiency technologies across all end-use sectors along with investments
in energy saving measures in residential, commercial, and industrial buildings. Electrification could support the decarbonisation of the building sectors and reduce the need for
more costly mitigation options in other parts of the energy system. Under stringent climate constraints, such an electrification will likely require the deployment of low-carbon
electricity from renewable sources such as solar, wind, and biomass.
Given the limited potentials of domestic renewables and the recent decision on phasing
out nuclear power in Switzerland, CCS technologies could provide an attractive complementary and almost abundant source for low-carbon electricity in the future energy
system. However, the future availability of this technology is still highly uncertain since
different technical, geological, and public acceptance issues will first have to be solved.
Additionally, the fact that CCS technologies are likely to rely on fossil fuels can have
consequences for the security of the energy supply.
The analysis of alternative projections of key socio-economic parameters showed that
higher population and economic growth could result in higher energy service demands
and possibly make the achievement of ambitious climate targets more challenging and
more costly. However, there might be also positive aspects of an increased growth in
population and GDP (e.g. with higher GDP, energy system costs could be carried more
easily).
The results of this analysis provide insights into cost-effective technology combinations
that could contribute to the transformation of the energy system towards a more sustainable configuration. However, barriers to the deployment of some of the cost-effective
technology options can exist. In order to overcome these barriers, suitable policies need
to be developed and successfully implemented.
Keywords: Swiss energy system; sustainable development; climate change; mitigation;
nuclear policy; energy security; energy saving; efficiency; technologies
2
Kurzfassung
Wesentliche Elemente eines nachhaltigen Energiesystems beinhalten eine ausreichende,
breit gefächerte, sichere, wirtschaftliche und umweltverträgliche Energieversorgung sowie
eine effiziente Energienutzung. Aufgrund der relativ hohen Abhängigkeit von importierten
fossilen Energieträgern, entspricht das heutige Schweizer Energiesystem nicht den Grundsätzen eines nachhaltigen Energiesystem. Um eine nachhaltigere Gestaltung des Schweizer
Energiesystems zu erreichen und in der Lage zu sein, wichtige Herausforderungen im
Zusammenhang mit Versorgungssicherheit, Klimaschutz und einem rationelleren Energieverbrauch zu meistern, müssen fossile Energieträger wesentlich reduziert werden. Zusätzlich sollte die Gesamteffizienz und die Diversifizierung der Energieversorgung im Energiesystem vergrössert und umweltfreundlichere Endnutztechnologien vermehrt zum Einsatz kommen. Das Erreichen solcher Ziele erfordert höchstwahrscheinlich eine bedeutende
Umgestaltung des heutigen Energiesystems. Die Realisierung einer solchen Umgestaltung
hängt von einer Anzahl von ungewissen Faktoren wie zum Beispiel politischen Entscheidungen, technologischen Entwicklungen, und internationalen Preisen von Energieträgern
ab. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, das Verständnis, wie ein nachhaltiges Energiesystem aus technologischer Sicht realisiert werden kann, zu verbessern.
Um dem beträchtlichen Mass an Unsicherheiten, welche die Entwicklung des zukünftigen Energiesystems beeinflussen könnten, Rechnung zu tragen, wurden Szenarien für das
zukünftige Energiesystem entwickelt, die wichtige Unsicherheiten abbilden. Diese Szenarien wurden mit dem Swiss MARKAL Modell, einem technologiereichen Bottom-upModell des Schweizer Energiesystems, quantifiziert und analysiert.
Verschiedene Gruppen von Szenarien, die wichtige Unsicherheiten repräsentieren, wurden im Rahmen dieser Dissertation analysiert. Die erste Gruppe umfasst Ungewissheiten bezüglich der politischen Unterstützung für zukünftige Stromversorgungsoptionen, einschließlich neuer Kernkraftwerke und zentralisierten fossilen Kraftwerken und
wurde für verschiedene Klimaschutzziele analysiert. Zusätzlich wurden die Auswirkungen
von Änderungen in internationalen Preisen für fossile Energieträger auf die Attraktivität von Technologien im Energiesystem untersucht. In einer zweiten Gruppe wurde die
mögliche Rolle von Technologien zur Abscheidung und -Speicherung von Kohlenstoffdioxid
(CO2 ) (CCS) in einem künftigen Schweizer Energiesystem analysiert, das gleichzeitig Klimaschutzziele verfolgt und auf den Bau neuer Kernkraftwerke verzichtet. Eine dritte
Szenariengruppe untersuchte die Auswirkungen von Wirtschafts- und Bevölkerungswachstum auf die zukünftige Entwicklung des Energiesystems.
Basierend auf der in dieser Dissertation durchgeführten Szenarienanalysen konnten wichtige Erkenntnisse, wie eine Transformation hin zu einem nachhaltigeren Energiesystem
3
realisiert werden könnte.
Um bedeutende Herausforderungen im Zusammenhang mit Klimaschutz meistern zu können, werden vermutlich signifikante Reduktionen domestischer CO2 -Emissionen nötig sein.
Diese Reduktionen könnten mit einem intensiveren Einsatz energieeffizienter Technologien in allen Endnutzsektoren und mit Investitionen in energiesparende Massnahmen im
Gebäudebereich realisiert werden. Eine Elektrifizierung könnte die Dekarbonisierung des
Gebäudesektors unterstützen und die Notwendigkeit von teureren CO2 -Reduktionsmassnahmen in anderen Bereichen des Energiesystems vermindern. Unter einem ambitiösen
Klimaschutzziel erfordert eine solche Elektrifizierung den Einsatz von CO2 -armer Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen wie zum Beispiel Sonne, Wind und Biomasse.
Aufgrund der limitierten Potentiale von domestischen erneuerbaren Energien und der
Entscheidung, aus der Kernkraft auszusteigen, könnten CCS-Technologien eine attraktive
komplementäre Quelle für kohlenstoffarme Elektrizität im Schweizer Energiesystem sein.
Allerdings ist die zukünftige Verfügbarkeit dieser Technologieoption heute noch höchst
ungewiss, da verschiedene Probleme im Zusammenhang mit technischer und geologischer
Umsetzbarkeit und gesellschaftlicher Akzeptanz zuerst gelöst werden müssten. Zusätzlich
könnte die Tatsache, dass CCS-Technologien höchstwahrscheinlich auf fossilen Energieträgern basieren werden, Konsequenzen für die Versorgungssicherheit des Landes haben.
Die Analyse von alternativen sozioökonomischen Entwicklungen hat gezeigt, dass ein
höheres Wirtschafts- und Bevölkerungswachstum zu einer höheren Nachfrage nach Energiedienstleistungen führen, und möglicherweise das Erreichen ambitiöser Klimaschutzziele
erschweren und verteuern könnte. Auf der anderen Seite könnte ein stärkeres Wachstum
aber auch positive Skaleneffekte mit sich bringen.
Die Resultate aus dieser Arbeit gewähren Einblicke in kosteneffiziente Technologiekombinationen, welche die Transformation zu einem nachhaltigeren Energiesystem unterstützen
können. Allerdings können Hindernisse zur Verbreitung dieser Technologien existieren.
Um diese Hindernisse zu überwinden, müssen geeignete politische Strategien entwickelt
und erfolgreich implementiert werden.
Stichwörter: Schweizer Energiesystem, nachhaltige Entwicklung, Klimawandel, Klimaschutz, Atompolitik, Energiesicherheit, Energie sparen, Effizienz, Technologien
4